功率因数校正变换技术

1、资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。第 10 章 电力电子技术应用10.1 功率因数校正变换技术功率因数校正电路对离线电源的输入电流波形进行整形 , 以使从交流电网吸取的有功功率最大化。 在理想情况下 , 离线电源 (即 AC-DC 开关电源 ) 应该表现为一个纯电阻的负载 , 此时电器吸收的反射功率为零。 在这种情况下 , 本质上不存在输入电流谐波。电流是输入电压 ( 一般是一个正弦波 ) 的完美复制品 , 而且与其同相。在这种情况下 , 对于进行所需工作所要求的有功功率而言 , 从电网电源吸收的电流最小 , 而且还减小了与配电发电以及相关过程中的基本设备有关的损耗

2、和成本。 由于没有谐波 , 也减小了与使用相同交流电网供电的其它装置之间的干扰。当今众多电源采用功率因数校正电路 PFC(Power Factor Correction) 的另一个原因 , 是为了符合电磁兼容标准规范要求。由于大量谐波电流涌入各级电网 , 引起公用电网的电压波形发生失真 , 严重威胁电网和各种用电设备的经济运行。 为了将电网中电压和电流波形失真控制在允许范围内 , 国际权威机构和中国相继制订、 颁发了控制和限制电力系统谐波的电磁兼容标准 , 如 IEEE519、 IEC1000-3-2 和GB/T14549-93 等电磁兼容标准等 ,其是强制性规范要求。这一要求适用于大多数输入

3、功率为 75 W 或以上的电力电子设备 , 而且它规定了包括高达 39次谐波在内的工频谐波的最大幅度。10.1.1 功率因数和 THD1.功率因数定义功率因数 PF( Power Factor) 可简单地定义为有功功率与视在功率之比,即 PF有功功率 /视在功率。 其中有功功率是一个周期内电流和电压瞬时值资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。乘积的平均值 , 而视在功率是电流的 rms均方根 值与电压的 rms值的乘积。如果电流和电压是正弦波而且同相 , 则功率因数是 1.0。如果两者是正弦波可是不同相 , 则功率因数是相位角的余弦。在电工基础课程中 , 功率因数往往就

4、是如此定义 , 可是它仅适用于特定情况 , 即电流和电压都是纯正弦波。这种情况发生在负载由电阻、 电容和电感元件组成 , 而且均为线性 ( 不随电流和电压变化 ) 的条件下。 因为输入电路的原因 , 开关模式电源对于电网电源表现为非线性阻抗。输入电路一般由半波或全波整流器及其后面的储能电容器组成 , 该电容器能够将电压维持在接近于输入正弦波峰值电压值处 , 直至下一个峰值到来时对电容再进行充电。在这种情况下 , 只在输入波形的各峰值处从输入端吸收电流 , 而且电流脉冲必须包含足够的能量 , 以便在下一个峰值到来之前能维持负载电压。这一过程经过在短时间内将大量电荷注入电容 , 然后由电容器缓慢地

5、向负载放电来实现 , 之后再重复这一周期。电流脉冲为周期的 10%到 20%是十分常见的 , 这意味着脉冲电流应为平均电流的 5到 10倍。图 10-1描述了这种情况。输入电流典型 DC/DC 变负载 (电子电路 )交流输入换器电源后级直流电压调节低成本可靠-大量输入电流谐波图 10-1 不带 PFC 的典型请注意 , 尽管电流波形有严重失真, 电流和电压仍能够完全同相。应用”相位角余弦”的定义会得出电源的功率因数为 1.0的错误结论。图 10-2显示了电流波形的谐波内容。基波 ( 在本例中为 60Hz) 以100%的参考幅度显示 ,资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除

6、。而高次谐波的幅度则显示为基波幅度的百分比。注意到几乎没有偶次谐波,这是波形对称的结果。 如果波形包含无限窄和无限高的脉冲( 数学上称为函数 ) , 则频谱会变平坦, 这意味着所有谐波的幅度均相同。一般 , 这个电源的功率因数大约为0.6。图 10-2电流波形的谐波作为参考 , 图 10-3显示了功率因数校正完好的电源输入。它的电流波形和电压波形的形状和相位都极为相似。注意到它的各输入电流谐波几乎都为零。图 10-3 功率因数校正完好的电源的输入特2.功率因数和谐波削减的关系设 AC-DC 变流电路的输入电压为 ui 为正弦 , 输入电流为非正弦 , 其有效值为 :II 12I 2 2.I n

7、 2.( 10-1)资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。式中 , I1 、 I 2 、 I n 分别为电流基波分量、二次谐波、n次谐波电流的有效值。定义总谐波失真(THD):I h222THDI 2I 3. I n .I 1I 12(10-2)I h 为所有谐波电流分量的总有效值。从前面的描述能够清楚的看到, 高功率因数和低谐波是一致的。可是,它们之间没有直接的关系, 总谐波失真和功率因数的关系体现在下列等式。THD (%) 100 *121Kd( 10-3)其中 Kd 是失真系数 (基波因数 ), 等于 :Kd11 ( THD (%) ) 2 100( 10-4)因

8、此 , 当输入电流的基波分量和输入电压同相时, K = 1, 且PF=Kd * K =Kd( 10-5)如前所述 , 即使是完美的正弦电流, 只要它的相位和电压不一致, 也会得出欠佳的功率因数。则PF11 ( THD (%) ) 2 100( 10-6)资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。由此得出 , 10%的 THD 对应大约等于 0.995的功率因数。显然 , 无论是从电流的最小化还是减小对其它设备的干扰角度来看, 对每个谐波设定限制能够更好地完成控制输入电流”污染”的任务。虽然这个对输入电流进行整形的过程一般被称作功率因数校正, 但在国际规范中,一般以谐波含量来

9、衡量整形效果。10.1.2 IEC1000-3-2 谐波限制标准为了将电网中电压和电流波形失真控制在允许范围内, 国际权威机构和中国相继制订、 颁发了控制和限制电力系统谐波的电磁兼容标准 , 如 IEEE519 、 IEC1000-3-2 和 GB/T14549-93 等电磁兼容标准等 ,其是强制性规范要求。国际电工委员会 1995 年制订、 颁发了限制包括高达 39 次谐波在内的工频谐波的IEC1000-3-2 电磁兼容标准 ,在旧版标准的基础上做了重要的变化。根据IEC1000-3-2 标准规定 ,电力电子设备分为A,B,C,D 和 E 五类 ,其划分分类框图如图10-4 所示。资料内容仅

10、供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。Yes三相平衡设备noYes便携与焊接设备Class BnoYes照明设备Class CYes个人计算机 , 显示器Class Dnonono每相功率大于 1KW的专用设备Class AYesClass E图图 10-4 IEC1000-3-2 设备分类表 ( 第二当前许多功率因数校正电路设计根据1995 年颁布的第一版 IEC1000-3-2电磁兼容标准而设计的。 可是 ,这个标准已经发生了变化 ,相应地 ,在功率因数校正电路设计中必须考虑新标准的变化。新电磁兼容标准划分五种电力电子设备 :A 、 B、 C、 D、 E。 根据电力电子设备的

11、用途,上述各类装置建立不同的电流谐波限制 .新电磁兼容标准最重要的的变化是如何划分 D 类电力电子设备 .在 前版的 IEC1000-3-2 标准中 ,根据标准给出的输入电流波形模板来判定 D 类装置的划分。在新的电磁兼容标准中,D 类输入电流波形模板不再存在.表 10-1 给出的D 类谐波限制规定适合于下列情况:( 1) 计算机和计算机监视器;( 2) 电视接收器。资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。同时装置的输入功率小于或等于600 瓦。图 10-5 给出了属于A 类和 D类的电力电子设备。AClaseDClass图 10-5属于 A 类和 D 类的电力电子设备表 10-1D 类电流谐波限制规定*谐波次相对谐在 600 瓦数波限制最大谐n (mArms/ 波限制W